Im Folgenden stellen wir einen einfachen Live-Imaging-Ansatz zur Quantifizierung der Empfindlichkeit von patienteneigenen Tumororganoiden gegenüber ionisierender Strahlung vor.
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Methodenartikel
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Im Folgenden stellen wir einen einfachen Live-Imaging-Ansatz zur Quantifizierung der Empfindlichkeit von patienteneigenen Tumororganoiden gegenüber ionisierender Strahlung vor.
Die Strahlentherapie (RT) ist eine der tragenden Säulen des modernen klinischen Krebsmanagements. Allerdings sind nicht alle Krebsarten gleich empfindlich gegenüber Strahlung, oft (aber nicht immer) aufgrund von Unterschieden in der Fähigkeit bösartiger Zellen, oxidative DNA-Schäden zu reparieren, die durch ionisierende Strahlen hervorgerufen werden. Klonogene Assays werden seit Jahrzehnten eingesetzt, um die Empfindlichkeit von kultivierten Krebszellen gegenüber ionisierender Bestrahlung zu beurteilen, vor allem, weil bestrahlte Krebszellen oft verzögert sterben, was mit kurzfristigen Durchflusszytometrie- oder mikroskopiegestützten Techniken schwer zu quantifizieren ist. Leider können klonogene Assays als solche nicht für komplexere Tumormodelle, wie z. B. patientenabgeleitete Tumororganoide (PDTOs), eingesetzt werden. In der Tat kann die Bestrahlung etablierter PDTOs ihr Wachstum als mehrzellige Einheiten nicht unbedingt aufheben, es sei denn, ihr stammartiges Kompartiment wird vollständig beseitigt. Darüber hinaus kann die Bestrahlung von PDTO-abgeleiteten Einzelzellsuspensionen die Empfindlichkeit maligner Zellen gegenüber RT im Kontext etablierter PDTOs möglicherweise nicht richtig rekapitulieren. In diesem Artikel beschreiben wir eine Adaption konventioneller klonogener Assays, bei der etablierte PDTOs ionisierender Strahlung ausgesetzt werden, gefolgt von Einzelzelldissoziation, Replattierung unter geeigneten Kulturbedingungen und Live-Bildgebung. Nicht bestrahlte (Kontroll-)PDTO-abgeleitete stammähnliche Zellen reformieren wachsende PDTOs mit einer PDTO-spezifischen Effizienz, die durch Bestrahlung dosisabhängig negativ beeinflusst wird. Unter diesen Bedingungen können die Effizienz und Wachstumsrate der PDTO-Bildung als Maß für die Strahlenempfindlichkeit auf Zeitrafferbildern quantifiziert werden, die aufgenommen wurden, bis die Kontroll-PDTOs eine vordefinierte Raumbelegung erreichen.
Die externe Strahlentherapie (RT) ist eine der tragenden Säulen der modernen Onkologie und spiegelt nicht nur eine ausgeprägte Antikrebsaktivität wider, die mit einem klar definierten Spektrum allgemein beherrschbarer Nebenwirkungen einhergeht1, sondern auch eine außergewöhnlich weit verbreitete klinische Verfügbarkeit (die meisten Krebszentren in den Industrieländern sind mit modernen Linearbeschleunigern für externe Strahlen-RT ausgestattet)2. In Übereinstimmung mit dieser Vorstellung wird die RT weltweit mit Erfolg sowohl für kurative Zwecke, im Allgemeinen im Rahmen der Erkrankung im Frühstadium 3,4, als auch für palliative Anwendungen eingesetzt, um Symptome (z. B. Schmerzen) von metastasierenden Tumoren einzudämmen5. Allerdings sind nicht alle Malignome gleich empfindlich gegenüber RT, was eine Reihe von Merkmalen in Krebszellen und Mikroumgebungen widerspiegelt 6,7,8,9. Als eigenständiges Beispiel wurden verschiedene krebsassoziierte genetische und epigenetische Veränderungen, die die DNA-Reparatur und die Redoxhomöostase beeinflussen, mit einer erhöhten oder verringerten intrinsischen Strahlenempfindlichkeit in Verbindung gebracht, was weitgehend die Fähigkeit der RT widerspiegelt, Krebszellen abzutöten, indem sie direkte und reaktive Sauerstoffspezies (ROS)-abhängige Schäden an der DNA und anderen Makromolekülen verursacht 10,11,12,13.
In den letzten Jahrzehnten wurden klonogene Assays routinemäßig eingesetzt, um die Strahlenempfindlichkeit von kultivierten menschlichen und murinen Krebszellen zu beurteilen 14,15,16. Während Chemotherapeutika und andere Stressoren bösartige Zellen oft relativ schnell abtöten, lösen RT, die in klinisch relevanten Dosen eingesetzt werden, meist eine verzögerte Form des Zelltods aus, die nicht einfach mit kurzfristigen Durchflusszytometrie- oder Mikroskopie-gestützten Techniken quantifiziert werden kann, wie z. B. der Messung der zellulären Aufnahme von lebenswichtigen Farbstoffen (die abgestorbene Zellen selektiv färben) 24-72 Stunden nach Exposition gegenüber einem zytotoxischen Stimulus17. Abgesehen davon, dass sie einfach sind und sich auf recht kostengünstige Reagenzien stützen, haben sich klonogene Assays als besonders praktisch erwiesen, da sie die Implementierung des sogenannten "linearen quadratischen" Modells ermöglichen, das ein relativ einfaches mathematisches Werkzeug für die quantitative Analyse der RT-Dosis-Wirkungs-Beziehung darstellt18,19. In ähnlicher Weise haben kultivierte Krebszellen (einschließlich etablierter Zelllinien sowie primärer, von Patienten stammender Zellen) eine geeignete Plattform für die Prüfung verschiedener Aspekte der Krebsbiologie geboten, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) der Empfindlichkeit gegenüber der Behandlung auf eine ziemlich einfache, aber vereinfachte Weise, wobei eine wesentliche Einschränkung das Fehlen einer strukturierten Tumormikroumgebung (TME) ist20, 21. Urheberrecht In der Tat sind zweidimensionale Krebszellkulturen von Natur aus nicht in der Lage, die Zell-Zell-Kommunikation und die Wechselwirkungen mit der extrazellulären Matrix zu rekapitulieren, wie sie bei Krebs auftreten22,23. Patienten-abgeleitete Tumor-Organoide (PDTOs) haben sich als Tumormodelle herausgestellt, die eine solche Einschränkung zumindest teilweise umgehen 24,25,26.
Leider können herkömmliche klonogene Assays nicht eingesetzt werden, um die Strahlenempfindlichkeit von PDTOs zu beurteilen. Einerseits muss die Bestrahlung etablierter PDTOs ihr Wachstum als mehrzellige Einheit nicht unbedingt beeinträchtigen, es sei denn, ihr stammartiges Kompartiment - das für die Bildung und Reifung von PDTOs verantwortlich ist, aber im Vergleich zu differenzierteren PDTO-bildenden Zellen eine erhöhte Resistenz gegen DNA-Schäden aufweist27 - wird vollständig beseitigt. Auf der anderen Seite kann die Bestrahlung von PDTO-abgeleiteten Einzelzellsuspensionen die Strahlenempfindlichkeit von PDTO-bildenden (einschließlich stammartigen) Zellen, wie sie im Zusammenhang mit gebildeten PDTOs gezeigt wird, nicht richtig rekapitulieren. Im Folgenden stellen wir eine Technik vor, die die Live-Bildgebung von Brustkrebs-PDTOs nutzt, um die PDTO-bildende Wirksamkeit und Wachstumsrate von PDTO-abgeleiteten Zellen, die zuvor ionisierender Bestrahlung ausgesetzt waren, im Vergleich zu ihren unbestrahlten Gegenstücken zu überwachen. Mit den erforderlichen Variationen, die weitgehend die Differentialbiologie der einzelnen PDTOs widerspiegeln (z. B. Anforderungen an Kulturmedien, Wachstumsrate), erwarten wir, dass dieses Protokoll für die Untersuchung der Strahlenempfindlichkeit in einer breiten Palette von PTDOs sowohl mammären als auch nicht-mammären Ursprungs geeignet ist.
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Die in der Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Organoid-Kultur
HINWEIS: TNBC#1 PDTOs wurden in unserem Labor auf der Grundlage von Tumorgewebe etabliert, das chirurgisch von einer Patientin mit dreifach negativem Brustkrebs (TNBC) entnommen wurde, die eine Einverständniserklärung zur Teilnahme an einem Biobanking-Protokoll gegeben hatte (IRB21-06023682). Nach Validierung durch Histologie und RNA-Sequenzierung (RNAseq) werden TNBC#1 PDTOs in 66% Matrigeltropfen (sogenannte "Domes") in angereichertem DMEM/F12-Kulturmedium kultiviert (Tabelle 1) und alle 2-3 Wochen im Verhältnis 1:2-1:10 verabreicht28.
2. Strahlung
3. Dissoziation
4. Live-Bildgebung
5. Würdigung
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TNBC#1 PDTOs wurden an Tag 0 einer Einzelstrahlendosis von 0 (unbestrahlte Kontrollen), 2 Gy, 4 Gy, 6 Gy, 8 Gy oder 10 Gy ausgesetzt. Unmittelbar danach wurden PDTOs dissoziiert, um für jede experimentelle Bedingung eine einzellige Suspension zu erhalten. PDTO-abgeleitete Zellen wurden anschließend in 48-Well-Platten innerhalb von 66 % Matrigel-Kuppeln (je 50 μl) ausgesät, die in der Mitte der Wells abgelagert wurden, in 3 technischen Replikaten pro Zustand. Die Platten wurden in ein Live-Imaging-System gelegt und alle 6...
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Hier beschreiben wir eine Adaption konventioneller klonogener Assays, die Brustkrebs-PDTOs und Live-Imaging nutzen, um die PDTO-Strahlenempfindlichkeit basierend auf (1) der Persistenz von PTDO-bildenden stammähnlichen Zellen nach PDTO-Bestrahlung in vitro und (2) der Wachstumsrate der PDTOs, die diese Zellen erzeugen (können), zu quantifizieren. Zu den kritischen Schritten dieses Protokolls gehören (1) die Etablierung von PDTOs für eine Kuppelbelegung, die eine gute Lebensfähig...
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Unabhängig von dieser Arbeit hat/hatte SCF Forschungsverträge mit Merck, Varian, Bristol Myers Squibb, Celldex, Regeneron, Eisai und Eli-Lilly und erhielt Beratungshonorare von Bayer, Bristol Myers Squibb, Varian, Elekta, Regeneron, Eisai, AstraZeneca, MedImmune, Merck US, EMD Serono, Accuray, Boehringer Ingelheim, Roche, Genentech, AstraZeneca, View Ray und Nanobiotix. Unabhängig von dieser Arbeit hat SD Beratungshonorare von Lytix Biopharma, EMD Serono, Ono Pharmaceutical, Genentech und Johnson & Johnson Enterprise Innovation Inc. erhalten und hält Forschungsverträge mit Lytix Biopharma, Nanobiotix und Boehringer-Ingelheim. Unabhängig von dieser Arbeit hat/hatte LG Forschungsverträge mit Lytix Biopharma, Promontory und Onxeo, hat Beratungshonorare von Boehringer Ingelheim, AstraZeneca, OmniSEQ, Onxeo, The Longevity Labs, Inzen, Imvax, Sotio, Promontory, Noxopharm, EduCom und der Luke Heller TECPR2 Foundation erhalten und hält Aktienoptionen von Promontory.
Wir danken Raymond Briones und Wen H. Shen (Weill Cornell Medical College, New York, NY, USA) für ihre Hilfe bei der Entwicklung dieses Protokolls. Diese Arbeit wurde durch einen Transformative Breast Cancer Consortium Grant des US-Verteidigungsministeriums BCRP (#W81XWH2120034, PI: Formenti) unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 40 & Mikro; m mesh filter | Thomas Scientific | 1164H35 | |
| B27 | Invitrogen | 17504-044 | |
| Cellometer Auto T4 Bright Field Cell Counter | Nexcelom | ||
| DMEM f/12 | Corning | 12634-010 | |
| Epidermaler Wachstumsfaktor hEGF | Peprotech | AF-100-15 | |
| EVOS FL Digitales inverses Fluoreszenzmikroskop | Thermo Fisher Scientific | 12-563-460 | |
| FGF10 | Peprotech | 100-26 | |
| FGF7 | Peprotech | 100-19 | |
| GlutaMax | Invitrogen | ||
| Hepes | Invitrogen | 15630-080 | |
| IncuCyte-Software 2021A | Sartorius-Version | : 2021A | |
| Incucyte SX1 | Sartorius-Modell | SX1 | |
| Incucyte-validierte 48-Well-Platte | Corning | 3548 | |
| Matrigel | Discovery Laborbedarf | 354230 | |
| nAc | Sigma Aldrich | A9165-5G | |
| Nicotinamid | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| Noggin | Gekauft vom Englander Institute for Precision Medicine, Weill Cornell, NY, USA | ||
| Unbehandelte 6-Well-Platte | Cellstar | 657 185 | |
| NR (Heregulin) | Peprotech | 100-03 | |
| p38 MAP-Inhibitor p38i SB202190 | Sigma Aldrich | S7067 | |
| PBS | Corning | 21-040-CV | |
| PenStrep | Invitrogen | 15140-122 | |
| Primocin | Invivogen | ant-pm-1 | |
| Rspondin Media | Gekauft vom Englander Institute for Precision Medicine, Weill Cornell, NY, USA | ||
| Small Animal Radiation Research Platform (SARRP) | Xstrahl Ltd | ||
| TGFbeta-Rezeptor-Inhibitor A83-01 | Tocris | 2939 | |
| Trypanblau-Fleck (0,4%) | Gibco | 15250-61 | |
| TrypLE | Gibco | 112605-028 | |
| Y-27632 (RhoKi) | Selleck | S1049 |
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